Embed Size (px)
Citation preview
1
Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik
Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen
Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik
Abschlussbericht
Umwandlung von Transformatorbänken in Schrägregler zur Optimierung des Lastflusses
bei hohen Transitleistungen im Netz der EnBW
Zentrum für Energieforschung, Stuttgart
2
IEH: Universität Stuttgart, Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik, Pfaffenwaldring 47, 70569 Stuttgart Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Stefan Tenbohlen (Telefon: 0711 685 67871, email: [email protected]) Dr.-Ing. Ulrich Schärli (Telefon: 0711 685 67878, email: [email protected]) Dipl.-Ing. Peter Müller (Telefon: 0711 3412075, email: [email protected]) IVD: Universität Stuttgart, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik (SuA), Pfaffenwaldring 23, 70569 Stuttgart Ansprechpartner: Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht (Telefon: 0711 685 68913, email: [email protected] Dipl.-Ing. Tobias Weißbach (Telefon 0711 685 66209, email: [email protected]) Dipl.-Ing. Joachim Lehner (Telefon 0711 685 66207, email: [email protected])
3
4
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis .....................................................................................................4 Kurzfassung...............................................................................................................5 1 Einleitung...........................................................................................................6 2 Technische Vorgehensweise der Umrüstung.................................................8
2.1 Wirkungsweise von Schrägregeltransformatoren zur Lastflusssteuerung........................................................................................8
2.2 Umbaumöglichkeiten von Spar-Transformatoren in Schrägregeltransformatoren .......................................................................10
3 Untersuchter Lastflussfall ..............................................................................14 4 Simulationsuntersuchungen..........................................................................19
4.1 Simulationsfall „Masche Daxlanden - Eichstetten“......................................19 4.2 Simulationsfall „EnBW-Netz“.......................................................................24
5 Zusammenfassung .........................................................................................28 6 Ausblick ...........................................................................................................29 Literatur ....................................................................................................................30
5
Kurzfassung Im Rahmen der vom Zentrum für Energieforschung Stuttgart (ZES) e.V. geförderten
Vorstudie „Umwandlung von Transformatorbänken in Schrägregler zur Optimierung
des Lastflusses bei hohen Transitleistungen im Netz der EnBW“ wird geklärt, welcher
Umbau von Transformatorbänken im EnBW-Netz längerfristig für die auftretenden
hohen Transitleistungen sinnvoll erscheint. Dazu wird im ersten Schritt die Möglich-
keit der Umrüstung von Transformatorbänken in Schrägregler im EnBW-Netz sowie
die technische Vorgehensweise der Umrüstung untersucht. Die Vor- und Nachteile
eines gezielten Einsatzes von Schrägreglern werden im Rahmen der Vorstudie simu-
lativ zunächst durch Schrägregelung der beiden 380/220 kV Transformatoren im
Umspannwerk Daxlanden aufgezeigt. Die Ergebnisse zeigen, wie mittels schrägge-
regelter Transformatoren Lastflüsse gezielt beeinflusst werden können, um damit das
EnBW-Netz lokal zu entlasten, ohne dabei den globalen Lastflusszustand wesentlich
zu verändern. Zusätzlich kann der Blindleistungsbedarf der Netzbetriebsmittel da-
durch lokal stark reduziert und somit der Blindleistungshaushalt im EnBW-Netz ent-
lastet werden. Dies trägt letztlich zu einer generellen Erhöhung der Spannung im
EnBW-Netz bei und stellt einen weiteren Zusatznutzen für den Netzbetrieb dar.
Die Ergebnisse der Vorstudie sind viel versprechend und zeigen das Potential
schräggeregelter Transformatoren innerhalb des EnBW-Netzes auf. Weitere detail-
lierte Untersuchungen müssen folgen, um zu klären, welcher Umbau von Transfor-
matorbänken langfristig notwendig und sinnvoll erscheint, damit aus technischer wie
wirtschaftlicher Sicht ein Optimum für die Regelzone der EnBW gefunden wird. Dies
soll in dem angestrebten nachfolgenden F&E-Projekt in Kooperation mit EnBW
Transportnetze erfolgen.
6
1 Einleitung Im liberalisierten Markt kommt es durch geänderte ökonomische Anreize zu Verlage-
rungen in der Erzeugung elektrischer Leistung. Zudem nimmt der Energiehandel
auch über größere geografische Entfernungen zu. Hinzu kommt eine vermehrte E-
nergieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere der Windenergie,
mit zum Teil deutlichem Einfluss auf globale Lastflüsse. Die bestehenden elektri-
schen Netze erfahren dadurch Lastflussverteilungen, für die sie zur Zeit ihrer Pla-
nung nicht ausgelegt wurden.
Querregeltransformatoren sind erprobte Betriebsmittel zur Steuerung von Lastflüs-
sen. Sie ermöglichen eine gezielte Lastflussregelung über Leitungen, wodurch eine
bessere Auslastung der bestehenden Betriebsmittel und damit eine Erhöhung der
Betriebssicherheit gewährleistet werden kann. Schrägregeltransformatoren ermögli-
chen ebenfalls eine Lastflussregelung, allerdings nur in begrenztem Maße. Ihr Vorteil
liegt darin, dass bestehende Längsregeltransformatoren mit geringem Aufwand zu
Schrägregeltransformatoren umgerüstet werden können.
Im Rahmen der vom Zentrum für Energieforschung Stuttgart (ZES) e.V. geförderten
Vorstudie „Umwandlung von Transformatorbänken in Schrägregler zur Optimierung
des Lastflusses bei hohen Transitleistungen im Netz der EnBW“ soll daher geklärt
werden, ob ein gezielter Einsatz von Schrägreglern im Übertragungsnetz der EnBW
(EnBW-Netz) möglich ist und sinnvoll erscheint. Ziel dieser Vorstudie ist es, die Mög-
lichkeiten des Um-/Ausbaus von Transformatorbänken in Schrägregler innerhalb des
EnBW-Netzes zu klären und deren sinnvollen Einsatz zu untersuchen. Die Ergebnis-
se der Vorstudie sollen in einem nachfolgenden F&E-Projekt in Kooperation mit der
EnBW Transportnetze AG präzisiert, sowie die sich daraus ergebenden technischen
wie wirtschaftlichen Vorteile detailliert erarbeitet werden.
Im ersten Schritt wird daher die Möglichkeit der Umrüstung von Transformatorbänken
in Schrägregler im EnBW-Netz, sowie die technische Vorgehensweise der Umrüs-
tung untersucht. Für die folgenden Simulationsuntersuchungen wird im nächsten
Schritt ein geeigneter, aktueller Lastflussfall ausgewählt und im Modell des EnBW-
Netzes umgesetzt. Erste Simulationsuntersuchungen, beschränkt auf eine ausge-
wählte Masche innerhalb des EnBW-Netzes, sollen die grundsätzlichen Effekte der
Schrägregelung und deren Vor- und Nachteile aus lokaler Sicht aufzeigen. Auf Basis
dieser Ergebnisse werden anhand eines Beispielfalls die globalen Effekte der
Schrägregelung auf das gesamte EnBW-Netz untersucht. Hierbei wird neben den
7
lokalen Effekten auf den Lastfluss auch die Auswirkung auf die netzweite Lastflusssi-
tuation mit berücksichtigt. Die Auswirkung der Schrägregelung auf den lokalen wie
netzweiten Blindleistungshaushalt im EnBW-Netz sowie auf die Spannungshaltung,
wird hierbei mit berücksichtigt.
8
2 Technische Vorgehensweise der Umrüstung Die für einen möglichen Umbau betrachteten Transformatorbänke bestehen aus ein-
phasigen Spar-Transformatoren der Spannungsebenen 380/220 kV. Im EnBW-Netz
werden solche Transformatoren in den Schaltanlagen Daxlanden (zwei Transforma-
torbänke mit je 1000 MW), Eichstetten (eine Transformatorbank mit 1000 MW), Neu-
rott (eine Transformatorbank mit 600 MW) und Kühmoos (eine Transformatorbank
mit 660 MW) verwendet.
2.1 Wirkungsweise von Schrägregeltransformatoren zur Lastflusssteuerung
Die Verlagerung von Leistungsflüssen, zum Beispiel durch zunehmende Durchlei-
tungen durch ein Netz, das eigentlich für die überwiegend radiale Versorgung einer
Region konzipiert wurde, kann dazu führen, dass einige Leitungen überlastet wer-
den, während andere Leitungen noch deutliche Reserven haben. Die Übertragungs-
kapazität des Systems kann erhöht werden, wenn es gelingt, alle elektrisch paralle-
len Übertragungswege gleichmäßiger auszunutzen.
Längsregeltransformatoren sind die am weitesten verbreiteten Regeltransformatoren
und dienen in erster Linie zur Spannungs-/Blindleistungsregelung zwischen zwei
Spannungsebenen. Durch die Änderung des Übersetzungsverhältnisses werden
Spannungsamplitude und Blindleistungsfluss verändert. Von einer Längsregelung
spricht man, da die Spannung in Richtung des Spannungszeigers geregelt wird.
Kann ein Regeltransformator den Phasenwinkel verändern, spricht man von Querre-
gelung. Querregeltransformatoren, auch Phasenschiebertransformatoren (Phase-
shifting transformers, PST) genannt, können damit Wirkleistungsflüsse über Leitun-
gen gezielt beeinflussen.
Phasenschiebertransformatoren regeln den Wirkleistungsfluss zwischen zwei syn-
chronen Netzen durch Änderung der Spannungswinkeldifferenz S Lφ φ φΔ = − (siehe
Abbildung 2.1). Bei gleichem Betrag der Spannungen in den gekoppelten Netzen
findet ohne Spannungswinkeldifferenz kein Leistungsaustausch statt. Um Wirkleis-
tung von S, der speisenden Seite, nach L, der Lastseite, zu übertragen, wird eine
Spannungsdifferenz 0S LV V VΔ = − > benötigt. Dies ist gleichbedeutend mit einem
Nacheilen der Spannung LV hinter SV . Zur Erhöhung des Wirkleistungsflusses kom-
pensiert der Phasenschiebertransformator die an der Leitungsimpedanz abfallende
Spannung, d.h. die Phase-Erde-Spannung an seinen L-seitigen Klemmen muss zu
9
diesem Zweck der Phase-Erde-Spannung an den S-seitigen Klemmen nacheilen. Zur
Minderung des Wirkleistungsflusses fügt der PST eine Spannung in entgegengesetz-
ter Richtung zum Spannungsabfall an der Leitungsimpedanz in die Leitung ein; die
Phase-Erde-Spannung an seinen L-seitigen Klemmen eilt dann der Phase-Erde-
Spannung an den S-seitigen Klemmen vor.
VLVS
VS-VL
I
φS - φL + α
VLVS
VS-VL
I
φS - φL + α)sin( αφφ +−
+= LS
T
LS
XXVVP
X XTLS
)sin( αφφ +−+
= LST
LS
XXVVP
X XT
)sin( αφφ +−+
= LST
LS
XXVVP
X XTLS
Abbildung 2.1: Wirkleistungsfluss P zwischen zwei synchronen Netzen. VS, VL sind die Spannun-gen in den Systemen S und L. φS, φL sind die Phasenlagen der Spannungen bezo-gen auf eine gemeinsame Referenz. X ist die Leitungsimpedanz, XT die Impedanz des PSTs, α die vom PST bewirkte Änderung der Winkeldifferenz.
Realisiert wird dies bei einer Querregelung, indem eine zur Hauptspannung um 90°
verschobene Spannung addiert wird, die aus der im Spannungsdreieck jeweils ge-
genüber liegenden Leiter-Leiter-Spannung abgeleitet wird (Abbildung 2.2).
Die Schrägregelung ist eine Kombination aus Längs- und Querregelung. Es wird zu
den Spannungszeigern eine im Winkel von 60° oder 120° abweichende Zusatzspan-
nung addiert. Meistens handelt es sich um 60° Schrägregelungen, bei der die Zu-
satzspannung aus einer der anderen Strangspannungen abgeleitet wird.
Schrägregler gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen. Zum einen besteht die
Möglichkeit, die Phasenverschiebung durch separate Transformatoren zu erreichen,
die zur Transformatorspannung eine phasenverschobene Zusatzspannung addieren.
Bei dieser Lösung ist neben der Amplitude auch die Phasenverschiebung des
Schrägreglers frei einstellbar. Zum anderen kann die phasenverschobene Spannung
auch durch die bereits vorhandenen drei einphasigen Transformatoren erzeugt wer-
den. Alle Transformatoren haben zueinander eine um 120° in der Phase verschobe-
ne Spannung. Um eine phasenverschobene Spannung am Transformator zu erhal-
ten, kann die verschobene Spannung des jeweils nächsten Transformators verwen-
det werden. Die Phasenverschiebung ist dann jedoch fest auf +60° oder –60° (bzw.
10
+120° oder -120°) eingestellt. Eine frei einstellbare Phasenverschiebung unabhängig
vom Übersetzungsverhältnis und damit der Spannungsamplituden ist nicht möglich.
Derzeit werden die Regeltransformatoren in Daxlanden und Eichstetten als reine
Längsregler zur Blindleistungssteuerung verwendet. Eine Änderung des Phasenwin-
kels ist nicht möglich.
Abbildung 2.2: Regeltransformatoren werden in 3 Typen unterteilt. Schrägregeltransformatoren sind eine Kombination aus Längs- und Querregler.
2.2 Umbaumöglichkeiten von Spar-Transformatoren in Schrägregeltransformatoren
Die Einphasen-Spar-Transformatoren der EnBW haben aufgrund ihrer Bauart bereits
eine dritte Wicklung integriert. Diese kann genutzt werden, um eine phasenverscho-
bene Zusatzspannung auf die Spannung eines anderen Transformators aufzuprä-
gen. Jeder Transformator liefert die um 120° verschobene Zusatzspannung zur
Schrägregelung für den nächsten Transformator.
In Abbildung 2.3 ist das Typenschild eines einphasigen Spar-Transformators in Dax-
landen zu sehen. Darauf sind das Ersatzschaltbild und die Anschlussbezeichnungen
dargestellt. Zum besseren Verständnis der wesentlichen Bestandteile des Ersatz-
schaltbildes wird es in Abbildung 2.4 vereinfacht dargestellt.
11
Abbildung 2.3: Typenschild eines Spartransformators in der Schaltanlage Daxlanden.
Die Besonderheit des Spar-Transformators besteht darin, dass eine Tertiärwicklung
bereits in den Transformator integriert ist. Mit dieser kann zwischen den Klemmen
eine Zusatzspannung abgegriffen werden. Zwischen den Klemmen ru und rkx kann
zudem eine Zusatzspannung eingebracht werden.
12
Abbildung 2.4: Vereinfachtes Ersatzschaltbild des Spar-Transformators.
Um den Spar-Transformator als Schrägregler verwenden zu können, muss an den
Klemmen ru und rkx eine um 120° zur Transformatorspannung verschobene Span-
nung angelegt werden. Diese kann beispielsweise für den Transformator der Phase
T (Anschlussklemmen rT und rkx ) vom Transformator der Phase S (Klemmen tkS
und tx ) kommen. In Abbildung 2.5 wird gezeigt, wie eine solche Verschaltung mit 3
Transformatoren aussehen kann. Zu sehen ist, dass zwischen den Transformatoren
mindestens 4 Leitungen nötig sind, um die Transformatorbank als Schrägregler be-
treiben zu können.
Derzeit sind in Daxlanden zwischen den Transformatoren 3 Leitungen verlegt, mit
denen diese an Drosseln angeschlossen werden können (siehe Abbildung 2.6). Wie
die Verlegung einer vierten Leitung aussehen könnte, und wie diese technisch mög-
lich wäre, muss eine genauere technische Untersuchung zeigen.
tku
tx
ru
rkx
13
Rtk xt Rr xrk Stk xt Sr xrk Ttk xt Tr xrk
R S T
Abbildung 2.5 Verschaltung der 3 Spartransformatoren zum Einsatz als Schrägregler
Abbildung 2.6: Drei Verbindungsschienen sind derzeit zwischen den Spartransformatoren instal-liert
14
3 Untersuchter Lastflussfall Basis der Simulationsuntersuchungen bildet der Lastflussfall vom 15.12.2005 um
14:30 Uhr [3]. Bedingt durch hohe Windleistungseinspeisung in Norddeutschland in
Kombination mit handelsbedingten Transiten traten hier sehr hohe Leistungstransite
durch das EnBW-Netz auf, welche charakteristischerweise in Nord-Süd-Richtung
verlaufen. Hinzu kommt ein relativ hoher Leistungsimport der EnBW-Regelzone auf
Grund des im Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) festgeschriebenen horizontalen
Belastungsausgleichs (HoBa) der in Deutschland eingespeisten Windenergie. Die
daraus resultierende teilweise hohe Belastung von Transitleitungen im EnBW-Netz
hatte (n-1)-Verletzungen auf Leitungen verschiedener Transitkorridore sowie Prob-
leme im Spannungs-/Blindleistungshaushalt des EnBW-Netzes zur Folge. Abbildung
3.1 zeigt die physikalischen Realitäten im EnBW Netz zum Zeitpunkt dieses Last-
flussfalles [3].
15
Abbildung 3.1: Physikalische Realitäten im EnBW-Netz am 15.12.2005, 14:30 Uhr bei hoher Windeinspeisung in Deutschland [3]
16
Auf Basis eines bestehenden Modells des aktuellen EnBW-Netzes auf
220/380 kV-Ebene wird dieser Lastflussfall als Basisfall entsprechend der gegebe-
nen Randbedingungen parametriert [4, 5]. Zudem stehen die in Tabelle 1 bis Tabelle
3 beschriebenen weiteren Randbedingungen zur Verfügung.
Tabelle 1: Wirk- und Blindleistungsübergabe der einzelnen Koppelknoten [3]
Größe: Gegebene Randbedingungen:
( )Übergabe der einzelnen Koppelknoten Import/Export∑ Wirkleistung P :
( )Einspeisung aller Koppelknoten Import∑
Blindleistung Q : ( )Übergabe aller Koppelknoten ca. +100 MVAr∑
Tabelle 2: Wirk- und Blindlasten der einzelnen Knoten auf Hoch- und Höchstspannungsebene [1, 3]
Größe: Gegebene Randbedingungen:
Wirkleistung P : Wirklast aller Knoten (ca. 5382 MW)∑
Blindleistung Q : Blindlast aller Knoten (ca. 2400 MVAr)∑
Tabelle 3: Wirk- und Blindleistungseinspeisung der Kraftwerke auf Hoch- und Höchstspan-nungsebene [3]
Größe: Gegebene Randbedingungen:
Wirkleistung P : Wirkleistungseinspeisung aller Kraftwerke∑
( )( )Last-Import Verlustleistung+
Blindleistung Q : ( )Blindleistungseinspeisung aller Kraftwerke . 2600 ca MVAr+∑
Zudem steht die Spannungswinkeldifferenz ( )EnBW-Süd EnBW-NordΔΘ = Θ −Θ sowie Mess-
werte der Spannung an 9 Knoten im EnBW-Netz zur Validierung und Optimierung
der Lastflüsse zur Verfügung.
17
Die Einstellung des Basisfalls erfolgt mittels einer Optimierungsvorgangs mit dem
Optimierungsziel *I die Spannungsdifferenz UΔ zwischen den simulierten Spannun-
gen SimulU und den gemessenen Spannungen MessUΔ zu minimieren (1). 2*
Simul MessminI U U= − (1)
Als Ergebnis der Einstellung des Lastflusses mittels Optimierung wird eine durch-
schnittliche Abweichung 2 kVU∅Δ < zu den gemessenen Werten erreicht. Dieser
Fall bildet den „Basisfall“ für die folgenden Simulationen der Auswirkungen Schräg-
geregelter Transformatoren.
SpannungU
Simul [p.u.]
Abbildung 3.2: Spannungsprofil auf 380-kV Ebene mit Richtung der Wirkleistungsflüsse (P ), so-wie der Auslastung der Leitungen, Lastfall 15.12.2005, 14:30 Uhr
In Abbildung 3.2 ist das Spannungsprofil auf 380-kV Ebene mit Richtung der Wirk-
leistungsflüsse (P) auf 220/380 kV Ebene, sowie der Auslastung der Leitungen für
den als Basisfall parametrierten Lastflussfall vom 15.12.2005, 14:30 Uhr dargestellt.
18
Spannungswinkeldifferenz
ΔΘSim
ul[°]
Abbildung 3.3: Spannungswinkeldifferenz SimulΔΘ auf 380-kV Ebene, Lastfall 15.12.2005, 14:30 Uhr
Abbildung 3.3 zeigt die Spannungswinkeldifferenz ΔΘ auf 380-kV Ebene für den Ba-
sisfall. Erwartungsgemäß stimmt die simulierte Spannungswinkeldifferenz
Simul 25ΔΘ ≈ − ° mit der gemessenen Spannungswinkeldifferenz Mess 25ΔΘ ≈ − ° sehr
gut überein, da sie in direktem Zusammenhang zu den vorherrschenden Transiten im
Übertragungsnetz der EnBW von Nord nach Süd steht.
19
4 Simulationsuntersuchungen In den folgenden Simulationsuntersuchungen wird auf Basis des Ist-Zustands des
EnBW-Netzes beispielhaft der sinnvolle Einsatz von Schrägregeltransformatoren un-
tersucht. Hierfür wird der in Kapitel 3 beschriebene und als Modell umgesetzte reale
Lastflussfall vom 15.12.2005 um 14:30 Uhr als „Basisfall“ der Simulationsuntersu-
chungen genutzt [3]. Auf Basis dieses Lastflussfalles wird mittels Simulationen ver-
sucht, Lastflüsse durch Schrägregelung von Transformatoren gezielt zu beeinflus-
sen. Zunächst wird hierzu eine mögliche Schrägregelung der Transformatoren in
Daxlanden betrachtet. Hierbei werden zum einen die lokalen Effekte einer Schrägre-
gelung im näheren Umkreis der veränderten Transformatorbänke mittels eines auf
die betreffende Masche beschränkten Modells untersucht (Simulationsfall „Masche
Daxlanden - Eichstetten“). Zum anderen werden die überregionalen Auswirkungen
auf das gesamte EnBW-Netz auf Basis eines vollständigen, detaillierten Modells des
Übertragungsnetzes auf 220/380 kV Ebene aufgezeigt, (Simulationsfall
„EnBW-Netz“). Vereinfachend werden allerdings die Lastflüsse der Randknoten kon-
stant aufgeprägt.
Indikatoren für die lokalen wie überregionalen Auswirkungen sind die sich ändernden
Wirk- und Blindleistungsflüsse sowie Wirkleistungsverluste im Übertragungsnetz, a-
ber auch Änderungen im Spannungs-/Blindleistungshaushalt des Übertragungsnet-
zes.
4.1 Simulationsfall „Masche Daxlanden - Eichstetten“
Im Rahmen der folgenden Simulationsuntersuchungen wird nun zunächst untersucht,
wie durch Schrägregelung der beiden 380/220 kV-Transformatoren im Umspannwerk
Daxlanden Lastflüsse gezielt beeinflusst werden können, um hoch belastete Be-
triebsmittel zu entlasten. Hierzu wird die „Masche Daxlanden – Eichstetten“ isoliert
betrachtet, vgl. Abbildung 4.1. Die Simulationen basieren auf dem „Basisfall“, aller-
dings ist das Modell des EnBW-Netzes auf die betreffende Masche Daxlanden –
Eichstetten beschränkt. Alle vorhandenen Betriebsmittel auf 220/380 kV-Ebene zwi-
schen Daxlanden und Eichstetten sind im Modell berücksichtigt. Hierdurch können
die grundsätzlichen Möglichkeiten von Schrägreglern zur gezielten Lastflussver-
schiebung, auf die parallel verlaufenden 220/380 kV-Leitungen aufgezeigt werden.
Zwischen dem Umspannwerk Daxlanden und dem Umspannwerk Eichstetten verlau-
fen zwei parallele 380 kV-Leitungen, sowie zwei parallele 220 kV-Leitungen, verbun-
20
den über die Netzknoten „Kuppenheim“, „Bühl und „Weier“. Die beiden
220 kV-Leitungen sind bereits im Basisfall hoch belastet. Beim Ausfall einer
380 kV-Leitung zwischen Daxlanden und Eichstetten, sowie der Leitung Daxlan-
den - Kühmoos zeigen Simulationsuntersuchungen eine (n-1)-Verletzung aufgrund
der Überlastung der 220 kV-Leitung Daxlanden – Bühl.
Abbildung 4.1: Ausschnitt des EnBW Netzplans zwischen den Netzknoten Daxlanden und Eichstetten [5]
Zur vereinfachten Darstellung der Zusammenhänge wird die Masche Daxlanden –
Eichstetten auf 2 Leitungen reduziert. Die direkten Leitungen der 380 KV-Ebene
21
werden auf eine Leitung reduziert. Ebenso werden die Verbindung der 220 KV-
Ebene zu einer Leitung zusammengefasst. Die Abgänge Kuppenheim, Bühl und
Weier werden dabei vernachlässigt. Die Schaltanlagen Daxlanden und Eichstetten
werden jeweils durch einen Regeltransformator dargestellt. Somit vereinfacht sich
der Netzabschnitt zu einer Masche mit zwei Leitungen und zwei Transformatoren
(Abbildung 4.2). Im ersten Schritt werden beide Transformatoren als reine Längsre-
geltransformatoren eingesetzt, im zweiten Schritt wird der Transformator in Daxlan-
den als Schrägregler (-120°) betrieben. Ausgehende von der Neutralstellung, das
heißt eine Stufenschalterstellung von 14 (Mittelstellung) wird nun der Einfluss auf die
Masche Daxlanden – Eichstetten untersucht.
Abbildung 4.2: Vereinfachte Masche zwischen Daxlanden/Eichstetten
Durch Verändern der Stufenschalterstellung ergeben sich die Spannungsdifferenzen
UΔ zwischen Oberspannungsseite (380 kV) und Mittelspannungsseite (220 kV) wie
in Abbildung 4.3 dargestellt. So lässt sich im Falle der reinen Längsregelung das Ü-
bersetzungsverhältnis vergrößern, bzw. verkleinern. Im Fall der Schrägregelung ver-
hält es sich genau umgekehrt, was hier in der aufgebrachten, um -120° verschobe-
nen Zusatzspannung begründet liegt. Deutliche zu erkennen ist, dass der Regelbe-
reich des Schrägreglers geringer ist, und damit sein Einsatz zur Spannungsregelung
im Vergleich zum Längsregler eingeschränkt ist. Grund hierfür ist, dass nur ein Teil
der aufgebrachten Zusatzspannung (cos( 120 )− ° ) zur Spannungsregelung dient. Der
22
weitaus größere Teil ( sin( 120 )− ° )hingegen dient durch die Änderung des Span-nungswinkels zur Lastflussregelung.
Ersichtlich wird dies in Abbildung 4.4. Hier ist die Auslastung der beiden Leitungen in
Abhängigkeit von der Tab-Stellung für den Längs- und Schrägregeltransformatoren dargestellt. Die Auslastung der 220 kV Leitung kann so um bis zu 20 % reduziert werden. Bei einer anfänglichen Auslastung von 89 % aus Abbildung 4.2 ergibt sich
bei einer Tab-Stellung von 1 eine Auslastung von ca. 75 %. Mit derselben Tab-Stellung hat sich die Auslastung der 380 kV Leitung um nur wenige Prozent gegen-über der ursprünglichen Mittelstellung erhöht (siehe Abbildung 4.4).
Abbildung 4.3: Schräg-/Längsregelung über der Stufenschalterstellung (14 = Mittelstellung) [6]
23
Abbildung 4.4: Auslastung der 220 kV Leitung bei Schräg- und Längsregelung [6]
Abbildung 4.5 zeigt den Blindleistungsbedarf LQ einer 220 kV sowie einer 380 kV Freileitung aufgetragen über der Scheinleistung S , also der Belastung der Leitung.
Itherm(380kV)
Itherm(220kV)
Itherm(380kV)
Itherm(220kV)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-100
0
100
200
300
400
500
600
Scheinleistung S [MVA]
Blin
dlei
stun
gsbe
darf
QL
[MVA
r]
QL (380kV-Leitung mit U = 380 kV)QL (380kV-Leitung mit U = 380 kV)QL (220kV-Leitung mit U = 220 kV)QL (220kV-Leitung mit U = 220 kV)
Summe Blindleistungsbedarf QL:Betriebspunkt: 1 2
1
1
1
1
2
2
Beispielleitungenmit StandardparameternLeitungslänge L=120km
Abbildung 4.5: Blindleistungsbedarf LQ von Freileitungen
Deutlich zu erkennen ist die durch den thermischen Grenzstrom thermI einer Leitung gegebene deutlich höhere maximale Belastbarkeit der 380 kV Leitung mit
max 1698 AS = ( therm 2580 AI = ) gegenüber der 220 kV Leitung mit max 408 MVAS =
24
( therm 1070 AI = ). Durch den flacheren Verlauf der Kurve deutlich erkennbar, weist die 380 kV Leitung bei übernatürlichem Betrieb eine deutlich geringere Änderung des Blindleistungsbedarfs bei Erhöhung der Belastung auf. Wird nun bei einer fiktiven,
aber durchaus realistischen Lastflussverteilung (Betriebspunkt 1) zwischen den bei-den Spannungsebenen der Lastfluss gezielt von der 220 kV- hin zur 380 kV- Span-nungsebene verschoben (Betriebspunkt 2), verringert sich der Blindleistungsbedarf
LQ der beiden Leitungen in Summe deutlich um etwa 16%.
Die Reduzierung der Auslastung auf der 220 kV Leitung hat noch einen weiteren po-sitiven Effekt: Die Reduzierung der Wirkleistungsverluste.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000
10
20
30
40
50
60
70
80
Scheinleistung S [MVA]
Summe Wirkleistungsverluste PV:Betriebspunkt: 1 2
1
1
1
1
2
2
Wirk
leis
tung
sver
lust
eP V
L[M
W]
PVL(380kV-Leitung mit U = 380 kV)PVL(380kV-Leitung mit U = 380 kV)
PVL(220kV-Leitung mit U = 220 kV)PVL(220kV-Leitung mit U = 220 kV)
Beispielleitungenmit StandardparameternLeitungslänge L=120km
Abbildung 4.6: Wirkleistungsverluste LVP von Freileitungen
Abbildung 4.6 zeigt die Wirkleistungsverluste LVP derselben 220 kV- und 380 kV Frei-
leitung. Erwartungsgemäß sind die Verluste der 380 kV-Leitung in Abhängigkeit von der übertragenen Scheinleistung S deutlich geringer. Die Lastflussverschiebung von der 220 kV hin zur 380 kV Spannungsebene, hier analog zu Abbildung 4.5 dargestellt
mit den Betriebspunkten 1 und 2, führt in Summe zu einer Reduzierung der Wirkleis-tungsverluste
LVP der beiden Leitungen um ca. 27%.
4.2 Simulationsfall „EnBW-Netz“
Im Simulationsfall „EnBW-Netz“ werden die überregionalen Auswirkungen der Last-
flusssteuerung mittels schräggeregelter Transformatoren in Daxlanden auf Basis des
25
kompletten Modells des EnBW-Netzes untersucht. Das Szenario „Schrägregelung“ basiert auf dem in Kapitel 3 beschriebenen „Basisfall“. Hier werden die Ergebnisse der lokalen Betrachtungen des Simulationsfalls „Masche Daxlanden - Eichstetten“
aus Abschnitt 4.1 sowie die Ergebnisse der Untersuchung des technischen Konzep-tes zum Umbau der Transformatoren aus Kapitel 2 als Eingangsgrößen genutzt. Die Eingangsgrößen sind im Wesentlichen der fest vorzugebende Phasenwinkel der
Schrägregelung (hier -60°, die Stufenstellung der betrachteten Spartransformatoren erfolgt auf Mittelspannungsseite), sowie die sich bei den lokalen Betrachtungen in Kapitel 4.1 als sinnvoll erwiesene aktuelle Stufenstellung der Transformatoren, hier
15 bzw.16 (dies entspricht +5 bzw.+6 bezogen auf die Neutralstellung). Alle Randbe-dingungen für die Untersuchung des Szenarios „Schrägregelung“ entsprechen hier-bei dem „Basisfall“. Die aufgeprägten Übergabeleistungen der Koppelknoten (Wirk-
und Blindleistung), sowie die Wirk- und Blindleistungseinspeisung der Kraftwerke bleiben konstant.
Bei Schrägregeltransformatoren wird durch das Aufbringen einer phasenverschobe-
nen Zusatzspannung (hier auf MS-Seite) durch die Stufung neben einem Längsanteil (Änderung des Übersetzungsverhältnisses) auch ein Queranteil (Änderung des Spannungswinkels) zur Spannung addiert. Der (relative) Winkel des Spannungszei-
gers wird somit verändert. Aus der resultierenden Änderung der Spannungswinkeldif-ferenz ΔΘ (beispielsweise zwischen dem Spannungszeiger in Daxlanden und dem Spannungszeiger in Eichstetten ( )Eichstetten Daxlanden Eichstetten Daxlanden−ΔΘ = Θ −Θ zwischen
zwei über eine Leitung verbundene Knoten resultiert die damit direkt in Korrelation stehende Änderung der Wirkleistungsflüsse.
Lastflusssimulationen des Szenarios „Schrägregelung“ im Vergleich zum „Basisfall“
zeigen, dass durch die Verschiebung der Lastflüsse zwischen Daxlanden und Eich-steten mittels Schrägregelung die in Kapitel 3 beschriebene (n-1)-Verletzung auf die-sem Transitkorridor verhindert werden kann. Diese Änderung des Winkels des
Spannungszeigers in Daxlanden (hier auf MS-Seite) beeinflusst aber nicht nur wie erwünscht die Spannungswinkeldifferenz und damit die Lastflüsse zwischen Daxlan-den und Eichstetten, sondern insbesondere auch die Lastflüsse in Richtung Daxlan-
den, wie beispielsweise von Philipsburg oder Neurott in Richtung Daxlanden.
Abbildung 4.7 zeigt die simulierte Spannungswinkeldifferenz SimulΔΘ auf der 380 kV-Ebene für das Szenario „Schrägregelung“ im Vergleich zum „Basisfall“. Durch
den direkten Vergleich der Spannungswinkeldifferenz ΔΘ bestimmter Leitungen
26
kann der Effekt der Schrägregelung auf das Übertragungsnetz veranschaulicht wer-den. Für die beiden 380 kV Leitungen zwischen Daxlanden und Eichstetten zeigt sich erwartungsgemäß für das Szenario „Schrägregelung“ eine deutliche Erhöhung der
Spannungswinkeldifferenz Eichstetten Daxlanden−ΔΘ und der Wirkleistungsflüsse. Aber auch die 380 kV Leitung zwischen Daxlanden und Kühmoos weist eine deutliche Erhö-hung der Spannungswinkeldifferenz Kühmoos Daxlanden−ΔΘ auf. Die beiden 380 kV Leitun-
gen zwischen Phillipsburg und Daxlanden hingegen weisen im Szenario Schrägrege-lung eine deutliche Reduzierung der Spannungswinkeldifferenz Daxlanden Phillipsburg−ΔΘ und damit des Lastflusses auf. Ein weiterer, bereits im Basisfall stark belasteter
Transitkorridor besteht südlich von Pulverdingen. Insbesondere die 380 kV Leitung zwischen Oberjettingen und Engstlatt ist hier stark belastet. Die Spannungswinkeldif-ferenz Engstlatt Oberjettingen−ΔΘ (und damit auch der Wirkleistungsfluss) erhöht sich aber nur
marginal durch die Schrägregelung der Transformatoren in Daxlanden.
a) Basisfall: reine Längsregelung b) Szenario Schrägregelung: -60° Schrägregelung
Spannungswinkeldifferenz
ΔΘSim
ul[°]
Phillipsburg – Daxlanden:ΔΘ = -2,36/-2,10°
Daxlanden –Eichstetten:
ΔΘ = -7,49/-7,76°Oberjettingen –
Engstlatt:ΔΘ = -4,86°
Phillipsburg – Daxlanden:ΔΘ = -2,65/-2,25°
Daxlanden –Eichstetten:
ΔΘ = -7,06/-7,47°Oberjettingen –
Engstlatt:ΔΘ = -4,84°
Daxlanden –Kühmoos:
ΔΘ = -11,24°
Daxlanden –Kühmoos:
ΔΘϕ = -10,95°
Abbildung 4.7: Spannungswinkeldifferenz ΔΘ auf 380-kV Ebene, für a) den „Basisfall“ mit reiner Längsregelung (Stufenstellung 12/13) b) das Szenario „Schrägregelung“ mit -60° Schrägregelung auf MS-Seite (Stufen-stellung 15/16) beider Transformatoren in Daxlanden
Damit zeigt sich, dass die Wirkleistungsflüsse mittels Schrägregelung in gewünsch-tem Maße verschoben werden können, ohne dadurch die Belastung anderer Transit-
korridore und damit den globalen Lastflusszustand wesentlich zu beeinflussen.
Abbildung 4.8 zeigt das Spannungsprofil auf der 380 kV Ebene, die Richtung der Wirkleistungsflüsse sowie die Auslastung der Leitungen für das Szenario „Schrägre-
gelung“ im Vergleich zum „Basisfall“. Zu erkennen ist auch bei dieser Darstellung der
27
sich durch die Schrägregelung der Transformatoren in Daxlanden insgesamt nur ge-ringfügig geänderte globale Lastflusszustand innerhalb des EnBW-Netzes, der letzt-lich insgesamt zu einer geringen Erhöhung des Wirkleistungsverlusts im EnBW Netz
von ca. 1 MW führt. Bezogen auf die gesamten Wirkleistungsverluste im EnBW Netz entspricht dies weniger als einem Prozent.
Deutlich zu erkennen hingegen ist der globale Anstieg der Spannung aller Knoten im
Übertragungsnetz der EnBW auf 380/220 kV Ebene, im Schnitt um +0,68 kV pro Knoten. Dies ist mit der einhergehenden Reduzierung des Blindleistungsbedarfs des Übertragungsnetzes durch die Schrägregelung der Transformatoren in Daxlanden zu
begründen. Bei gleich bleibender Blindleistungseinspeisung der Kraftwerke kann somit über die Stufung der Maschinentransformatoren das Übersetzungsverhältnis und damit die Spannung auf Hoch-/Höchstspannungsseite erhöht werden.
SpannungU
Simul [p.u.]
a) Basisfall: reine Längsregelung b) Szenario Schrägregelung: -60° Schrägregelung
Wirkleistungsflüsse P und Auslastung (380kV) Wirkleistungsflüsse P und Auslastung (220kV)
Abbildung 4.8: Spannungsprofil auf 380 kV Ebene, Richtung der Wirkleistungsflüsse und Auslas-tung der Leitungen für a) den Basisfall und b) das Szenario Schrägregelung
Durch die gezielte Steuerung der Wirkleistungsflüsse mittels Schrägregelung wird somit zusätzlich ein weiterer positiver Effekt für den Netzbetrieb erzielt. Da eine hohe
Belastung des EnBW Netzes bei hohen Transitleistungen meist mit Problemen bei der Spannungshaltung einhergeht [3] ist dieser Zusatznutzen besonders hervorzu-heben.
28
5 Zusammenfassung Aufgrund der vorliegenden Daten sind Transformatorbänke in Daxlanden und Eich-stetten grundsätzlich für den Umbau in Schrägregler geeignet. Da für einen Umbau in Schrägregler mit fester Phasenverschiebung ( +/-60° ) keine Zusatztransformato-
ren gebraucht werden, bietet sich hier eine kostengünstige Möglichkeit zur Lastfluss-steuerung. Insbesondere im Hinblick auf den weiteren Ausbau der Netze und den damit verbundenen weitgehenden Wegfall der 220 kV-Ebene bieten die zu Schräg-
reglern umgerüsteten Spar-Transformatoren eine interessante Übergangslösung. Inwieweit die Transformatorbänke in Daxlanden sowie Eichstetten dafür umgebaut werden müssen, kann anhand der genauen technischen Daten ermittelt werden.
Die Simulationsuntersuchungen haben gezeigt, dass am Beispiel des Transitkorri-dors Daxlanden/Eichstetten mittels Schrägregelung die Verschiebung der Lastflüsse von hoch belasteten Leitungen auf weniger stark belastete Leitungen möglich ist.
Hierdurch konnte eine (n-1)-Verletzung auf diesem Transitkorridor vermieden wer-den, ohne Lastflüsse in großem Maße global zu verschieben und damit andere hoch belastete Transitkorridore zu belasten. Die lokalen Betrachtungen zeigen zudem eine
lokale Reduzierung sowohl der Wirkleistungsverluste als auch des lokalen Blindleis-tungsbedarfs des Netzes
Durch den insgesamt mittels Schrägregelung in Daxlanden deutlich reduzierten Blin-
leistungsbedarf des Übertragungsnetzes zeigt die überregionale Betrachtung eine deutliche Anhebung des Spannungsprofils. Die Spannungen aller Knoten auf 220/380 kV-Ebene werden erhöht, durchschnittlich um 0,68 kV. Neben der gezielten
Lastflussverschiebung zur Entlastung hoch belasteter Transitkorridore kann die Schrägregelung im untersuchten Simulationsszenario somit deutlich zur Entspan-nung des Spannungs-/Blindleistungshaushalts im Übertragungsnetz der EnBW bei-
tragen.
29
6 Ausblick Die Ergebnisse der Vorstudie sind als positiv zu bewerten. Der Umbau bestehender Transformatorbänke innerhalb des EnBW-Netzes in Schrägregler hat das Potential einen technischen wie wirtschaftlichen Nutzen für den Netzbetrieb der Regelzone der
EnBW zu leisten. Eine weitere Bearbeitung des Projektes in Zusammenarbeit mit der EnBW Transportnetze AG erscheint daher seitens der Projektbearbeiter als sinnvoll. Hierzu besteht bereits Kontakt mit der EnBW Transportnetze AG, mit dem Ziel einen
Vollantrag für ein F&E Projekt zu erarbeiten.
30
Literatur [1] EnBW Download Center, www.enbw.com.
[2] Neumaier, R.: Netzoptimierung und Instandhaltungsstrategien im Ü-bertragungsnetz der EnBW Transportnetze AG. 2. Stuttgarter Energie-forum „Lebensdauermanagement von Kraftwerken und Netzen – eine Grundvoraussetzung zum Erhalt der Versorgungssicherheit“, 28. Juni 2005.
[3] Neumaier, R.: Integration der Windenergie in Deutschland und Europa Auswirkungen der Windenergie in küstenfernen (Transport-) Netzen. GreenNet Expertenforum, Integration der Windenergie in Deutschland und Europa - Erfahrungen und Probleme aus Sicht von Wissenschaft und Praxis, 18./19. Oktober 2007, Stuttgart.
[4] UCTE-Karte 2007, www.ucte.org
[5] EnBW-Netzkarte Stand 2003
[6] Simulation mit dem Programm PowerFactory (v13.2) von DigSilent
